Supercordes - Leçon de supergravité: le modèle de Kaluza-Klein

Publié par Publication le 16/01/2006 à 00:02
Plutôt que d'imposer à Susy une invariance globale de supersymétrie comme l'impose la physique quantique, on peut agir localement sur un point de l'espace-temps dans le respect des principes de localité de la théorie de la relativité. Les opérations de supersymétries qui en découlent permettent de retrouver des équations qui ressemblent à la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de... la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...).

La supergravité fut introduite en 1919 par l'Allemand Théodore Kaluza. Elle unit dans une seule formule la gravitation et l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...). Au départ, on reprochait à Kaluza le fait que sa théorie n'était pas quantifiée et de plus se référait à 5 dimensions, ce qui était loin d'être démontré (et ne l'est toujours pas). En 1926, les physiciens Oskar Klein et H.Mandel parvinrent indépendamment l'un de l'autre à lui donner une formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) quantique.


Théodore Kaluza

Leur théorie deviendra le modèle Kaluza-Klein à 5D. Dans cette théorie, l'unité fondamentale (Une unité fondamentale est une unité de mesure de base dans un système d'unités. Les unités...) de la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) e est liée à la circonférence d'un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...) de Kaluza-Klein:

l = 1/e √(64*pi^3*G)
G étant la constante de la gravitation.
Cette longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) l = 2.3 x 10^-28 m

Cette théorie a l'avantage de quantifier la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...). Seul contrepoint, pour observer des phénomènes à cette échelle, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) requise est phénoménale, de l'ordre de 10^19 GeV. Aussi, cette cinquième dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) nous concerne peu dans la vie (La vie est le nom donné :) ordinaire. Cette quantification signifie que les particules chargées doivent également avoir une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 10^19 fois supérieure à celle du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...).

Selon Oskar Klein, un point (Graphie) classique de l'espace tridimensionnel devient en 5D la section d'une corde, un cercle dans la 4eme dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...). Nous ne le voyons pas et cela n'a aucune conséquence car son rayon est à l'échelle de Planck, de l'ordre 10^-33 cm. L'avantage du concept de corde est de représenter les particules comme les modes de vibration des cordes et de supprimer du même coup le problème des infinis puisque la corde ne peut vibrer que sur certains modes.

L'univers 5D de Kaluza-Klein


Un point de l'espace tridimensionnel devient un cercle dans un univers à 4 dimensions spatiales, plus exactement la section d'une corde à une seule dimension spatiale. Les vibrations de la corde donneraient naissance aux particules.

La compactification

Comme de toutes les théories supersymétriques, la théorie de Kaluza-Klein 5D est encombrée par 3+d dimensions d'espace au départ et nous devons trouver un mécanisme pour expliquer la structure naturellement tridimensionnelle de notre univers. L'un des mécanismes envisagé par les théoriciens s'appelle la "compactification". Elle autorise l'enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour...) des dimensions excédentaires à l'instar d'une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres...) que l'on roulerait pour former un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) à l'échelle de Planck, 10^20 fois plus petit que la taille d'un proton (10^-13 cm) ! La compactification obéit à la relation:


avec , l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) à quatre dimensions
, un espace compactifié à d dimensions

La difficulté de ces théories est de savoir pourquoi l'Univers privilégia le mode dimensions car toute autre solution est possible, par exemple ou , y compris l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...) qui permet à l'univers de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) spontanément d'une forme à une autre. La probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) que cet effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) se produise dépend entre autres choses d'une constante c et de l'échelle de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) t considérée, chaque valeur étant déterminée par des détails dynamiques de la théorie:


Avec lp, la longueur de Planck (En physique, la longueur de Planck ou échelle de Planck est une unité de longueur qui fait partie...), soit 1.6 x 10^-33 cm
c, une constante comprise entre 1 et 100
, l'échelle de temps comprise entre 1 et 10 fois le temps de Planck (Le temps de Planck, également appelé échelle de Planck est, en physique, une unité de temps qui...)

Si c et t sont judicieusement choisis, nous avons toutes les raisons de croire que le mode subsistera durant un multiple de l'âge de l'univers visible. Mais pour des valeurs différentes de c et , l'Univers peut sauter aléatoirement dans une autre forme. Il va sans dire que tous les corps, depuis l'échelle microscopique jusqu'aux plus grandes structures cosmiques seraient perturbés et anéantis quasi instantanément. Heureusement, ce saut dans une autre dimension a toutes les “chances” de se produire aléatoirement.


Les modèles classiques acceptent des transformations invariantes locales, il s'agit des superparticules. Le troisième modèle supersymétrique fait appel au concept de “sept-sphère” du modèle Kaluza-Klein.

Cela dit, pour certains physiciens la théorie de Kaluza-Klein, même modifié, n'est qu'une curiosité mathématique. Mais d'aucun considèrent que Kaluza et Klein nous ont mis sur une voie royale. En effet, "l'astuce" de faire appel à une 5eme dimension, comme à celle de la 4eme dimension dans le cas de la relativité, permet de mieux appréhender la réalité et de résoudre bien des problèmes "pathologiques" de la théorie des particules élémentaires et de relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) qui restent l'une en prise avec des infinis, l'autre avec des singularités.
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